本帖最后由 磅礴三界 于 2012-5-29 12:39 编辑
矿物学研究从资源属性到环境属性的发展
鲁安怀
摘 要： 资源与环境是地球科学的两大主题，在回顾矿物资源属性的基础上，提出了矿物学环境属性的研究。在矿物形成和变化的过程中，不同时间和空间的环境变化都会在矿物中留下烙印，使得矿物成为记录 环境演变信息的载体。利用矿物能被防止分解的一面，采取相应的措施防止矿物的破坏与分解，就有可能减少甚至避免由于矿物的破坏与分解所造成的对人体健康的影响和生态环境的破坏。类似于有机生物处理方法，利用无机矿物处理污染物的方法，体现了天然自净化作用的特色。天然矿物对污染物的净化功能主要体现在环境矿物材料基本性能方面。 矿物与生物的交互作用研究，是无机界与有机界交叉渗透性研究课题。纳米矿物所表现出的超乎寻常的化学性质是其有效参与纳米生物作用的关键。
关 键 词： 矿物资源属性； 矿物环境属性； 环境矿物学； 环境矿物材料； 环境演变载体； 矿物破坏与分解； 矿物与生物交互作用
中国分类号： P57 文献标识码： A
文章编号：1006-7493(2000)02-0245-07
Development of Properties of Mineralogy from
Resource to Environmental
LU An-huai
(National Laboratory of Mineral and Rock Materials,China University of Geosciences, Beijing, 100083)
Abstract：The minerals have been used from the earlier times by their resource properties. Nowadays the minerals are also intensively used by their environmental properties. The environmental mineralogy is a branch of scie nce dealing with interaction between the natural minerals and the spheres of the earth surface, as well as with reflection of global changes, prevention of ecol ogical destruction, remediation of environmental pollution, and interaction of n ano-minerals with bacteria (biomineralogy) and so on. Some details in above-me nt ioned fields are described to show that mineralogists are facing great responsib ilities in promoting both economic and social progress.
Key words: resource properties of minerals; environmental p roperti es of minerals; environmental mineralogy; enviromental mineralogical meterials; environmental information carrier; biomineralogy
矿物学是一门有悠久历史的学科。在传统地质科学面临挑战与机遇的今天，如何发展传统矿 物学同样值得深思 。本文紧扣资源与环境这一新世纪地球科学的两大主题，恳谈矿物学的发展方向。
1 矿物学资源属性生来具有，资源矿物学是资源地质学的基础
人类最初认识自然与利用自然实际上是从认识矿物与利用矿物开始的。在石器时代，人 类最早接触和利用的是非金属矿物或其集合体；在以后的各种金属器时代，人类主要利用的 是金属矿 物的冶炼产物［1,2］。因此，矿物最初被人们所能认识和利用的属性就是它的资源 属 性。在人类漫长的生活与生产活动中，人们逐渐发现和积累了一定数量、不同特征和不同用 途的天然矿物，继而从矿物分类开始的有理性的对矿物所进行的研究活动，便是矿物学的诞 生。
矿物学出现后的几个世纪以来，矿物学的资源属性一直受到人们的重视和利用。对 一种新矿 物的发现，就意味着一种新的地球资源可能被利用。对已有地球资源的利用程度，更是依赖 于对矿物的有用性能与矿物中有用组分的研究程度。以至于矿物资源与矿物原料成为人们常 用的专业术语，甚至于矿产资源与矿物资源也似乎是等同的概念，可想而知矿物学资源属性 表现得何等鲜明。故长期以来人们对矿物学的研究活动始终是在资源矿物学的范 畴内进行的。
矿物学资源属性研究亦即资源矿物学，主要研究自然形成的矿物的外部形貌、内部结构、 化学成分、物理性质、鉴定特征、成因产状和用途等，并在此基础上产生了一系列重要的矿物学分支学科。由于矿物是元素的集合体，同时矿物又是岩石及矿石的基本构成单元，所以 矿物 学在地球化学、岩石学及矿床学等地球物质科学研究方面发挥着基础作用；由于运动是物质 的运动，同样决定着矿物学在研究地球构造及星体活动方面的基础性作用不可忽视［3 ］。显 然在支持固体资源地质学的几大研究领域中，均离不开对矿物学资源属性的研究。对矿物学 及其分支学科的深入研究，又从不同角度、不同层次和不同程度上促进了相关地球科学的发 展，最终还是体现在对固体地球资源发现和利用水平的提高方面，可以说资源矿物学一直是 资源地质学的基础。相信随着人类对地球资源需求的不断增长以及由此带来的人们 对地球资源认识的不断深化，资源矿物学作为资源地质学的这一基础性作用必将得到继续加 强。
2 矿物学环境属性是对资源属性的发展，环境矿物学应运而生
矿物学环境属性研究亦即环境矿物学，是在人类赖以生存的地球正面临着环境污染和生 态破坏问题严重威胁的今天应运而生的。环境矿物学是研究天然矿物与地球表面各个圈层之 间交互作用及其反映自然演变、防治生态破坏、净化环境污染及参与生物作用的科学。环境 矿物学主要研究内容包括研究矿物作为反映不同时间空间尺度上环境变化的信息载体，研究 矿物影响人类健康与破坏生态环境的本质及其防治方法，研究开发矿物具有治理环境污染与 修复环境质量的基本性能以及研究纳米级别上矿物与生物发生交互作用的微观细节与机理等 。
与环境矿物学密切相关的环境矿物材料［4］，是指由矿物及其改性产物组成的与生 态环境具 有良好协调性或直接具有防治污染和修复环境功能的一类矿物材料。环境矿物材料基本性能 包括矿物表面吸附作用、矿物孔道过滤作用、矿物离子交换作用、矿物化学活性作用、矿物 物理效应作用及新近发展的矿物纳米效应作用等。其中关于矿物各种化学活性作用研究是在 过去的矿物学教学与科研活动中常被忽略的内容，根据目前的初步认识，矿物化学活性 作用至少包括矿物微溶作用、矿物形成作用、矿物催化作用、氧化还原作用及沉淀转化作用 等。
本文仅就环境矿物学所涉及到的四个方面的主要研究内容作如下简述。
2．1 矿物作为反映不同时间空间尺度上环境变化的信息载体研究
天然矿物是自然演化的产物，在矿物形成和变化的整个过程 中，不同时间和空间尺度上的环境变化都会在矿物中留下烙印，使得矿物含有丰富的能反映 环境变化的信息，成为记录环境演变信息的载体。这些信息具体蕴藏在矿物外部微形貌、内 部微结构、化学组成、化学性质、物理性质、谱学特征和成因产状等方面。随着研究手段的 改进与研究水平的提高，利用矿物所能揭示的环境演变信息的数量与质量会逐步增多与增强 。
在全球变化研究活动中，第四纪以来的冰川和黄土常常是人们重点研究对象。而冰川中 重矿物微粒和黄土中组成矿物便分别记载着冰川和黄土形成与演化方面的信息［5～7］ ，深入研究这些信息载体特征，将有助于揭示全球性的环境变化特征和演化规律。
对在岩溶地区中产出的钟乳石和石笋组成矿物进行详细研究［8，9］，就像研究 树木的年轮一样，能够精确揭示更小时间尺度上的古气候与古环境方面的演化规律。
对于一个局部地区的环境质量特征与演变规律开展评价研究时，往往大气中矿物浮尘、 水体中沉积物及土壤中组成矿物等均是直接的研究对象［10，11］，其研究结果能揭 示较小空 间尺度上环境演化规律。例如评价大气中酸雨与烟尘污染状况，要查明大气中矿物浮尘性质 与分布规律。调查水体环境质量与污染来源，要研究湖底沉积物及其组成矿物特征。尤其在 评价土壤环境容量时，更是需要详细研究粘土矿物与铁锰铝氧化物和氢氧化物矿物等土壤矿 物组成特征。作者认为，土壤中有毒有害元素含量的高低，并不是直接判定土壤环境质量优 劣 乃至土壤生态效应的唯一标志，关键问题是要揭示这些污染物在土壤中与各种无机矿物之间 具有怎样的吸附与解吸、固定与释放的平衡关系，以利于在土壤组成矿物的层次上查明土壤 中污染物与具体矿物之间的环境平衡关系，最终能提出建立和保护土壤中污染物与矿物之间 的环境平衡机制，提高土壤本身治污能力，防止对食物链产生污染［12］。
2． 2 矿物影响人类健康与破坏生态环境的本质及其防治方法研究
矿物在一定的条件下能够稳定地存在于自然界之中，也就是说天然矿物与生态 环境具有良好的协调性，这也是矿物形成的必要条件之一。可是人们为了最大限度地发挥矿 物的资源属性，采取了一切可能的办法去寻找各种矿物资源，人类的矿业活动更是对这些矿 物资 源进行着高强度开采。结果使得处于地表之下的矿物被动地移至地表，环境的变化 造成这些矿物的稳定性大大降低。势必导致矿物的破 坏和分解，所产生的重金属和阴离子污染物对地表水体与土壤环境质量造成了直接影响。一 些金属矿物尤其是含有变价元素的金属矿物表现得更加突出［12］。目前对生态环境 破坏较为 严重的矿山酸性废水污染便是这方面的典型例子。矿山酸性废水主要来自金属硫化物的破坏 和分解过程，如何在地表条件下有效防止金属硫化物的氧化分解是人们正在探讨的一个问题 ［13］。
人类矿业活动使得一些具有放射性的天然矿物被直接带到了地表。对其不合理的利用 本已给人类健康甚至生存带来了极其严重的负面影响。对其合理利用而产生的核废料如何 进行安全处置，仍然要发挥矿物化学屏障的环境属性作用［14］。往往粘土矿物能发 挥重要作用。
还有一类由矿物引起的对人类健康的危害来自于对矿物资源的加工和利用过程， 如矿物粉尘的产生及其对人体健康的影响问题［15］。石棉状角闪石是石棉矿山和加 工厂工人 肺病的主要致病因素，在矿工的肺组织中可以发现纤维状矿物种类［16］。至于在能 源利 用过程中矿物的受热分解所造成的对人体健康和大气环境质量的影响问题更是广泛存在。
通常意义上的岩石中矿物的风化作用也会直接影响到当地的土壤环境容量和水体环境质量 ，往往造成地方性人体健康和生态环境问题［17］。此外对土体工程也有极大影响, 如花岗岩 地区矿物风化所造成的山坡崩岗。在有关雕塑型文物保护活动中，更要研究文物的组成矿物 及其蚀变特征，这对防止文物腐蚀有积极意义［18］。
总之，由于人类生产和生活活动所带来的矿物破坏与分解，给人类健康和生存环境造成 了不利影响。详细研究并充分发挥矿物的环境属性作用，揭示矿物破坏与分解的本质，同时 利用矿物能被防止分解的一面，去采取积极与相应的措施防止矿物的破坏与分解，就有可能 减少甚至避免由于矿物的破坏与分解所造成的对人体健康的影响与生态环境的破坏。
2． 3 开发矿物具有治理环境污染与修复环境质量的基本性能研究
类似于有机界-生物处理方法，利用无机天然矿物治理污染物的方法［19］是建 立在 充分利用自然规律的基础之上，体现了天然自净化作用的特色。天然矿物对污染物的净化功 能主要体现在环境矿物材料基本性能方面。
矿物表面吸附作用研究随着实验技术的不断改进与理论探讨的不断深入，愈益得到快速 发展，目前矿物表面研究已深入到分子甚至原子水平上的表面交互作用、表面表征及 表面性质和过程的定量描述、模式与预测等方面［20］。矿物所具有的较高比表面积 和可变表 面电荷对阳离子和阴离子污染物均有较好的净化能力。水体中色度、有机污染物、氨氮、油 类物质及病原细菌等能通过矿物的过滤作用与离子交换作用得以去除。对具有一定吸附、过 滤和离子交换功能的天然矿物进行合理改性是提高环境矿物材料性能的新途径。如天然粘土 矿物的亲水性可对无机型污染物具有较好净化功能，一旦利用有机表面活性剂去置换其中存 在着的大量可交换的无机阳离子，还可形成具有亲油疏水性的有机粘土矿物［21］。 作者 利用这一特性正在开展用于垃圾填埋场中防止有机物渗漏的环境矿物材料开发研究，以防治 地下水的有机型污染。
微溶性的金属矿物往往是自然界中一些极不稳定的金属矿物，其化学成分多由变价 元素构成，其化学性质不稳定易被氧化分解，且在水介质条件下可表现出一定的溶解 度。此类矿物本身就是一个污染源，可形成矿山酸性废水污染。发挥此类矿物治理污染的作 用，实际上体现了以废治废，是污染控制与废弃物资源化并行的典范。研究表明［12， 22，23］，天 然铁的硫化物对处理含Cr6+,Pb2+,Cd2+,Hg2+等有毒废水效果良 好，这是由于该矿物在一定条 件下的微溶作用（Fe2+,S2-，S22-）所决定，并且是氧化还原作用 （S/S2-与Cr6+/Cr3+电对 、 S/S22-与Cr6+/Cr3+电对、Fe3+/Fe2+与Cr6+ /Cr3+电对）和沉淀转化作用（S2-与Pb2+,Cd 2+,Hg2+及Cr3+）的反映。还新发现了Cr2S3难溶物，可节省加碱以 形成Cr(OH)3沉淀物的传统工艺，大大减少了污泥的产生。以天然铁的硫化物代替常用的 化工产品亚硫酸钠还原六价铬，还能提高硫资源的利用率近4倍。
作者正在开展天然铁锰铝氧化物及氢氧化物的研究。这些矿物的比表面积和表 面电荷密度均较高，表面具有明显的化学吸附性，还具有较完善的孔道特性，尤其是Fe、Mn 为自然界中少数的但属于常见的变价元素，往往可表现出一定的氧化还原作用。因此铁锰铝 氧化物及氢氧化物具有直接的净化污染物的功能。若选择具有一定净化功能的天然矿物作骨 料，再将一定形态的氧化铁或氧化铝固定在矿物骨料表面，还能制成性能更加优质的环境矿 物材料。
天然矿物的热效脱硫除尘作用，具体表现为高温条件下天然矿物具有孔道特性和化学活性作 用［12］。具孔道特性的矿物应有良好的热稳定性，利用其固有的孔道结构、热膨胀 空隙能被制作成多孔材料。而高温条件下具化学活性的矿物确有热不稳定性，利用其热分解 后的产物能与二氧化硫等气体产生化学反应，以形成稳定的新物相［24］。这是应用 环境矿物材料研究开发燃煤烟尘型大气污染防治方法与技术的基础。
天然矿物的净化功能在以下几方面能够得到较广泛的应用［12］：（1）区域性水质 污染治理，包括地表劣质水和地下污染水水质改善、河流湖泊污染治理、地下水库工程等； （2）国土治理与土壤改良；（3）核废料处置；（4）畜禽粪便处理；（5）垃圾填埋场防渗 ；（6）燃煤固硫除尘；（7）汽车尾气净化；（8）生活污水、工业废水与矿山酸性废水处 理等。尤其对量多面广的区域性地表水和地下水的治理改善工程不是一般性环境污染治理技 术所能支撑的，采用成本低廉的地质方法--天然自净化作用有可能达到规模治污的目的。 然而地质方法治理污染，归根到底还是天然矿物对各种污染物的净化能力问题，只有从矿物 层次上充分认识了其净化污染物的机理和容量，才能实现对水体中污染物的有效治理。
显然，天然矿物在污染治理与环境修复领域中发挥着独特的作用，并在污染治理的规模、成 本、工艺、设备、操作、效果及无二次污染等方面具有明显的特点和较大的优势。深入系统 地探索研究环境矿物的基本性能、净化机理和净化功能，将有利于进一步扩大环境矿物的应 用领域。利用天然矿物控制污染与保护环境的无机矿物学方法，足以与大家熟知的有机生物 学方法相提并论。这两种方法共同构筑了由无机界和有机界组成自然界中的天然自净化系统 ，依其各自的特点和优势在人类与地球交互影响的各个圈层上共同发挥治理污染和修复环境 的天然自净化作用。
2．4 纳米级矿物与生物发生交互作用的微观细节与机理研究
矿物与生物的交互作用研究［25，26］，尤其在纳米矿物与纳米生物层次上揭示 其交互作 用的细节与机理研究，是无机界与有机界交叉渗透型研究课题。事实上无机矿物的形成和变 化存在有机生物作用的参与，而有机细菌的繁殖和活动也存在无机矿物作用的参与，这一特 征使无机与有机的微观界限在某种程度上变得模糊起来。目前化学家和生物学家对分子 、原子、电子与细菌的交互作用机理正在进行积极的探索，也缺少不了矿物 学家从纳米矿物角度积极参与研究。因为纳米矿物呈现出的化学特性是其有效 参与纳米生物作用的关键，何况生物作用过程中所形成的矿物也需要矿物学家去深入研究。 这方面的研究成果对于保护人类健康与防治生态环境破坏都有着十分重要的理论意义和 应用价值。
关于血液中由已知最小的纳米级生物形成生物矿物的作用研究表明［27］，人体中肾 结石、牙 斑及其它各种组织矿化等病原性矿化作用很可能与此有关。这些纳米生物不仅已从哺乳动物 血液中分离出来，而且能在人类血液及肾结石抗原体中检测到。矿化的纳米生物化学成分和 形态特征类似于钙化组织细胞与肾结石中的矿物微粒。这一研究不仅对了解病原性矿化作用 机理有意义，也可为深入认识骨质和牙质生物矿化过程提供新的研究途径。
利用纳米级水聚合二氧化硅对可溶性金属阳离子的强吸附研究表明［28］，被吸 附的金属 能够长期的稳定存在，而粘土等矿物吸附的金属却容易被解吸出来。正是纳米 级的水聚合二氧化硅的特殊化学性质能够使其对过渡金属产生成键吸附。
细菌表面作用造成环境中金属阳离子富集的研究表明［29］，在大多数细菌 表面分布 有活性的化学物质。这些物质的离子化作用可导致中性pH条件下的细菌表面带有电荷。在静 电作用下金属最初与细胞壁上的阴离子表面结合，并包围有机聚合物，形成后来晶体生长的 晶芽。因此许多细菌能在其表面浓集环境中稀淡的金属与污染性有毒重金属，并形成微细矿 物的胚体。细菌将环境中微量金属变成真正的矿物，这一特性可用来除去环境中的重金属 污染物［30］。
用一种环境细菌联合体作媒介引起铁矿物反应的研究表明［31］，能产生生物膜 的细菌联合体可控制水介质中的Eh值和pH值，已证实这种联合体对铁矿物如铁氧化物和氢 氧化物的各种溶解、沉淀和变化反应具有活性。利用细菌作用能从花岗岩岩石薄片中离析磁 铁矿颗粒，能将磁铁矿转化为赤铁矿，铁矿物能直接沉淀在细菌的细胞壁上以及分散于整个 生物膜中。
对铝土矿-Cu- N-磷甲醛甘氨酸表面络合物的研究表明［32］，将Cu作为局域成键 环境的探子，结果发现N-磷甲醛甘氨酸的快速钝化，是通过对磷酸盐的化学吸附来实现的 。N-磷甲醛甘氨酸与铝土矿强键结合，关键能使其中的氨态N易于受到细菌的作用而被侵袭 ，最终实现了N-磷甲醛甘氨酸农药的快速降解［32］。
综上所述，从对地球环境和生态的影响程度来看，矿物学资源属性研究过程是产生地球 环境污染与生态破坏的过程，而矿物学环境属性研究过程则是防治地球环境污染与生态破坏 的过程。显然开展矿物学环境属性研究是对矿物学资源属性研究的进一步发展。
3 矿物学环境属性日显重要，环境矿物学是环境地质学的基础
在人类认识与利用地球资源时期，矿物学已成为地质学的基础学科之一，并作出 了应有的贡献。在地质学面临资源和环境两大根本任务的21世纪的今天，广大矿 物学 工作者都期待着古老的矿物学学科如何焕发出新的生机，再次能为地球科学的发展贡献新 的力量，使矿物学继续成为新时期地质学的基础学科。实现矿物学研究由资源属性到环境属 性的 发展，明确环境矿物学研究方向，将为矿物学的重大发展带来难得的机遇。由 于矿 物学处于地质学中特殊的基础地位，深入开展环境地质学研究将脱离不开对矿物学与环境科 学交叉渗透性研究，矿物学环境属性研究事实上能为地质方法治理与修复地球环境提供理论 基础和技术支撑，因此环境矿物学成为环境地质学的基础责无旁贷。环境矿物学正是在地球 科学服务于新时期经济建设和社会发展与人类进步的实践中诞生的新的地学生长点，必将任 重而道远。
初稿完成于本人在加拿大进修期间，本打算回国后提交给我的导师陈光远教授进行 审阅，不料其间他与世长辞。陈先生曾鼓励我在该领域作努力探讨。谨以此拙作献给恩师。
基金项目：国家自然科学基金（49672097）；科学技术部攀登-特别支持资助课题
第一作者简介：鲁安怀，男，1962年生，教授，矿物学专业，主要从事环境矿物学与环境矿物材料方向研究。
鲁安怀（中国地质大学 矿物岩石材料国家专业实验室， 北京 100083）
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发表于 2007-4-2 22:09
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发表于 2007-4-5 15:58
楼主